能源需求的不断增长和环境危机的日益严重促进人类对优秀的可再生能源转换和存储系统的不断追求。微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）和可充式锌空气电池（Zn–air batteries）具有对生态环境友好、安全性高等特点,被视为下一代清洁能源装置。其中阴极氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）涉及到电极对氧的吸附和解吸、反应中间体的形成以及反应物的传质过程,导致氧反应动力学缓慢,所以阴极电催化剂的选择对于两种新型电池的性能表现至关重要。传统贵金属催化剂被广泛认为能有效降低氧反应的中间能垒,然而此类催化剂成本高昂且储量稀缺,长期使用的稳定性也不尽如人意,极大地限制了其在大规模生产中的应用。因此,开发设计出成本低廉、原材料易获取同时具备高催化效率和高稳定性的阴极催化剂具有重要的科学意义和应用价值。本论文通过模版法、化学浴沉积法和热还原法等方法设计合成了以氮掺杂空心碳球为基底、过渡金属硫化物为活性成分的纳米复合催化材料,并探究了其在微生物燃料电池以及可充式锌空气电池阴极上的应用。具体工作内容如下:（1）参照经典的Sto?ber法合成酚醛树脂包裹的二氧化硅球模版,碳化后刻蚀掉二氧化硅球形成了具有丰富传质介孔通道的空心结构碳球（NHCS）,同时暴露出大量的氮掺杂活性位点。通过在导电空心碳球表面修饰具有高氧还原反应催化活性的Co₉S₈纳米粒子,巧妙地构筑了具有界面协同结构的Co₉S₈/NHCS。所制得的多孔Co₉S₈/NHCS在碱性和中性环境下均表现出良好的氧还原催化活性、稳定性和耐甲醇性。将Co₉S₈/NHCS应用于MFC装置的阴极,电池的最大功率密度达到704±2 mW m^-2,溶液底物的化学需氧量（COD）去除率为96.28±0.50%。（2）在上述合成Co₉S₈/NHCS的基础上,通过调节酚醛树脂前驱物的浓度合成了具有碗状结构的氮掺杂空心碳球,并在硫化物纳米粒子修饰过程中引入铁离子合成了Fe_XCo_9-XS₈-NHCS。对铁和钴前驱物的浓度比进行调节,实现了铁离子在Co₉S₈中八面体和四面体掺杂位点的调控,同时调节了金属—硫键在八面体结构中的键长,增强了Fe_XCo_9-XS₈-NHCS对氧还原反应和氧析出反应的催化活性:在0.1 M KOH电解液中,Fe_XCo_9-XS₈-NHCS催化剂ORR的半波电位为0.803 V（vs RHE）;电流密度为10 mA cm^-2时,OER电位为1.531 V（vs RHE）。将Fe_xCo_9-xS₈-NHCS-V应用于锌空电池阴极,电池表现出优秀的性能,功率密度为102 mW cm^-2。将Fe_xCo_9-xS₈-NHCS-V应用于MFC,30圈循环后电池的最大功率密度达到791±42 mW m^-2。